15号车钩钩舌销变形及断裂原因分析

青岛四方车辆研究所有限公司技术报告
TECHNICAL REPORT OF QINGDAO
SIFANG ROLLING STOCK RESEARCH INSTITUTE CO., LTD
15号车钩钩舌销变形断裂
原因分析和改进建议
青岛四方车辆研究所有限公司
2012年8月
15号车钩钩舌销变形断裂原因分析和改进建议
1 问题提出
15号车钩是客车主型车钩。

由于设计结构原因，15号车钩的钩舌销在运用中不可避免会直接承受拉压纵向力，加之钩舌销强度偏弱，所以钩舌销在运用中经常发生弯曲变形甚至出现断裂，在段修过程中更换率也较高。

2 15号车钩钩舌销受力分析
由图1可见，15号车钩钩舌结构比13号车钩有很大区别。

两钩舌的承载部位均为牵引台。

与15号车钩有所不同的是，13号车钩多了一个护销牵引台，钩体和钩舌设计的间隙配合保证了牵引力首先作用在牵引台，在牵引台磨耗引起间隙变化后，则护销牵引台先于钩舌销受力，13号车钩的牵引台和护销牵引台结构有较好的保护钩舌销的作用。

15号车钩没有护销牵引台结构，只有不完整的护销冲击台。

受纵向压缩力时护销冲击台和钩舌销承受纵向力；受牵引力时，牵引台和钩舌销承受纵向力。

图1 15号车钩和13号车钩钩舌承载部位
图2 15号车钩承载部位配合情况
由图2可见，从理论上讲，当δ2>δ1时，牵引台间隙小于钩舌销间隙，可保证钩舌销不受拉伸载荷；当δ2>δ3时，护销冲击台间隙小于钩舌销间隙，可保证钩舌销不受压缩冲击力。

但是15号车钩钩体钩舌的设计间隙并非如此，以15号车钩上牵引台为例进行分析，相关部位的结构尺寸：
（1）钩舌上牵引台半径为R95+1
0,钩体上牵引台半径为R950
-1
，两者间隙δ1＝0~2mm。

（2）钩舌销直径为Φ42-0.18
-0.45
，其尺寸范围为Φ41.55~Φ41.82mm。

（3）钩舌销衬套内径为Φ42+0.64
0.47
，其尺寸范围为Φ42.47~Φ42.64mm。

（4）钩舌护销冲击台尺寸为R340
-1，钩体对应尺寸为R35+1
,两者间间隙δ3＝1-3mm。

由以上数据可以计算出钩舌销与衬套的间隙值为0.65~1.09mm。

因钩舌销需分别与钩舌销套和钩体钩耳孔套接触后方可受力，故三者完全接触后的间隙值为两者接触时的2倍，即钩舌销与衬套间的总间隙δ2＝1.3~2.18mm。

分析结论如下：
（1）牵引台处间隙δ1＝0~2mm，钩舌销处间隙δ2＝1.3~2.18mm，两者有相当大的重叠覆盖范围，因此，新品车钩出厂时，理论上钩舌销就有较大的承受拉伸载荷的机率。

（2）护销冲击台处间隙δ3＝1~3mm，与δ2＝1.3~2.18mm有较大的重叠覆盖范围，因此，新品车钩出厂时，理论上钩舌销也存在较大的受压缩冲击载荷的机率。

从理论分析可见，15号车钩钩舌销和钩舌销孔套之间间隙太小。

车钩组装完成后，钩舌销就可能成为主要承受纵向力的部件。

当牵引台磨耗或制造公差超差时，很容易形成钩舌销直接受牵引力或钩舌销与牵引台同时受力的情况。

如控制不当，钩舌销既承受接力又承受压缩冲击力，很容易发生弯曲和剪切变形，反复作用的结果将使钩舌销发生疲劳裂纹直至断裂。

15号车钩钩舌销的这一问题实际上由来已久。

下表示四方所从1981-1984年车钩强度试验结果统计，共计35套，从中可以看出，新钩中14.3%发生了钩舌销断裂。

2 防止钩舌销受力的措施
从以上的理论上分析，可以发现钩舌销存在较大的承受拉伸和压缩载荷的机率，这是15号车钩在运用中发生变形甚至断裂的原因。

1990年，作为当时提高15号车钩整体强度工作的一部分，四方所曾修改图纸，把
钩舌销直径由Φ42-0.18
-0.45mm减小到Φ41-0.30
-0.45
mm，使钩舌销处间隙δ2达到了2.6~4.14mm，
保证了新造状态下钩舌销不受力。

钩舌销由Φ42mm减至Φ41mm后，其抗剪切强度仅降低4.7%，实验证明不会对钩舌销强度造成较大影响，但由于确保了牵引台承载，整体结构更加合理。

使用该方案的车钩经过了2000kN的型式试验，1990年通过了铁道部科技司组织的科技成果鉴定，定型为15号H型客车车钩，但没有推广。

作为客车通用件的15号系列车钩仍然沿用原有的设计结构。

即便采用改进设计保证了新造车钩钩舌销不受力，但在运用一个时期后，牵引台和冲击台磨耗到一定程度，牵引台和冲击台间隙如得不到有效控制，钩舌销仍有可能会受力。

所以在适当修程应对牵引台和冲击台部位进行检修，控制相关间隙，确保检修完成后的钩舌销不直接承受纵向力。

3 改进建议
3.1 既有车钩
对于既有车钩，可以结合厂修修程，对车钩实施改造，改造内容有：。

（1）更换钩舌销，材料40Cr，调质处理，尺寸为Φ41-0.30
-0.45
（2）对钩体或钩舌护销冲击台（图3b）实施补焊改造（注，如堆焊引起钩舌销孔变形,可焊修钩体对应部位），并用图5所示的钩体/钩舌样板检测后再装配，确保装配后护销冲击台处间隙δ3≤1.5mm。

（3）对有磨耗的钩舌牵引台（图3a）实施堆焊打磨，并在钩舌与钩体组装后用塞尺检查钩舌钩体牵引台间隙，确保装配后与钩体牵引台间隙δ1≤2.0mm。

a) b)
图4 钩舌冲击台堆焊部位位置
图5 钩舌冲击台和钩体冲击台维修检查样板
5.2 新造车钩
对于新造15号车钩，建议调整关键部位尺寸或控制要求，即可解决钩舌销不受力的要求。

主要调整内容：
（1）钩舌销，材料40Cr，调质处理，尺寸为Φ41-0.30
-0.45。

（2）将钩舌护销冲击台尺寸R340
-1改为R350
-1
，修改检查控制要求，按图4的样板检
查冲击台尺寸，确保新品状态下护销冲击台处间隙δ3不超过1.5mm。

（3）修改检查控制要求，将牵引台间隙δ1控制在不超过2.0mm。

6 检修验证
为了验证车钩检修过程中针对护销冲击台尺寸改造和检查的可操作性，四方所与四方有限配合进行了实作验证。

四方所按图5所示的设计图纸试制了样板（图6），使用样板对检修中的15CX型小间隙车钩进行了试修试验，取得了良好效果。

a) 钩舌冲击台样板 b) 钩体冲击台样板
图6 钩舌冲击台和钩体冲击台检查样板
6.1 待检车钩的情况
从四方有限客修随机选取2套检修中的车钩作为试验对象，一套按现有正常检修流程检修，另一套在正常检修的基础上实施5.1条的改进措施。

6.2 未采取改进措施车钩的钩舌销受力情况
首先检查了未采取改进措施的检修后的车钩。

拔出钩舌销，前后移动钩舌，从上向下通过钩舌销孔观察，可明显发现钩舌前后移动量较大，其结果是形成了钩体和钩舌的销孔形成了较大程度的不同心，其量明显超过了钩舌销不受力的间隙1.3 mm ~2.18mm，钩舌销直接受力的结果十分明显。

之后，插入钩舌销，再对钩舌前后推拉，拔出钩舌销后，钩舌与钩体对钩舌销形成的有效剪切痕迹十分明显，不难判断，未采取措施前，检查的该套检修后车钩的钩舌销
会直接受力。

再观察其它待检车钩的钩舌销，发现其沿轴线纵向方向上呈明显台阶状（图7），可判断出钩舌销是长期受力的。

图7 钩舌销长期受力后状况
6.3 采取改进措施车钩的性能情况
车钩检修时，按改进要求，采取了以下措施：
（1）对钩舌牵引台施焊，使钩体和钩舌牵引台部位间隙缩小到2.0mm内；
（2）对钩体护销冲击台施焊改造，使之满足图5所示的样板检测要求，确保护销冲击台处间隙达到1.5mm内（图8）。

（3）钩舌销直径按规定加工至Φ41-0.30
-0.45
a) 通轨通过 b) 止轨止住
图8 钩体护销冲击台使用样板检测情况
车钩装配完成后，拔出钩舌销，因各方面间隙控制好，钩舌前后移动量很小，经前后移动钩舌并观察钩体和钩舌的销孔，其不同心量大为缩小，明显小于钩舌销受力的间
隙1.3 mm ~2.18mm。

插入钩舌销再前后移动钩舌，未观察到钩舌与钩体对钩舌销形成的接触痕迹，可见，采取改进措施后，检修后车钩的钩舌销已不再受力。

7 结论
15号车钩的钩舌销受力问题是困绕运用部门的长期问题，其解决措施也早有探索，但因15号车钩属批量应用的成熟产品，其存在的这一缺陷难以获得多方关注，致使这一问题在客车提速后变得较为突出。

四方所分析了故障原因，针对故障原因制定了以下改进措施：
（1）对于既有车钩，应在检修时实施改造，改造项目：①更换钩舌销，材料40Cr
（调质处理），尺寸调整为为Φ41-0.30
-0.45
；②对钩舌牵引台实施堆焊，确保装配后与钩体牵引台间隙δ1≤2.0mm；③对钩体护销牵引台或钩舌护销冲击台实施补焊（注，如堆焊面积大引发销孔变形可段焊），并用图5所示的样板检测后再装配，确保装配后护销冲击台处间隙δ3≤1.5mm。

（2）对于新造车钩，建议进行改进如下：①钩舌销材料和热处理不变（40Cr调质
处理），直径尺寸调整为Φ41-0.30
-0.45；②将钩舌护销冲击台尺寸R340
-1
改为R350
-1
，修改检查
控制要求，按图5的样板检查冲击台尺寸，确保新品状态下护销冲击台处间隙δ3不超过1.5mm；③强化检查控制要求，将牵引台间隙δ1控制在不超过2.0mm。

上述方案经初步实践应用获得了较好效果，建议在新造和检修时同步实施。